一种太赫兹准光检测装置及非金属管道检测系统和方法

摘要

本发明公开了一种太赫兹准光检测装置，实现对PE等非金属材料内部结构无损检测，并进一步提供非金属管道检测系统和方法，实现对非金属管道的检测。所述非金属管道检测系统包括太赫兹准光检测装置、上位机、位移控制装置；所述太赫兹准光检测装置包括一级辐射源模块、倍频器模块、柱状透镜天线、太赫兹探测器、信号控制处理模块和辐射天线模块。本发明采用太赫兹技术可以很容易的穿透PE等非金属管道材料，对其内部结构进行探测，检测装置和系统可分辨毫米大小的缺陷，而且由于其波长远远大于射线，光子能量较低，对人体没有电离辐射。

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹无损检测技术领域，尤其涉及一种非金属管道的无损检测装置。

背景技术

聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)材料等非金属管道由于其强度高、耐腐蚀、无毒等特点，是替代普通金属管道的理想管材，被广泛应用于给水、能源等领域。

我国非金属管道发展很快，使用率在不断提高。据统计仅在2015年度，我国聚乙烯(PE)燃气管材新增使用量已超过130万吨，其市场需求量还在快速增长。目前常用作燃气管道的聚乙烯材料主要为PE80和PE100两种型号。

在非金属管生产或者使用过程中，为保证安全性，需要对非金属管道进行质量检测，现有非金属管道检测方法主要是超声波检测，其在非金属管道检测过程中，受外部环境影响极为明显，检测误差较大，成功率不高，难以保证PE管道使用安全。

太赫兹(Terahertz)波通常指的是波长在30μm-3mm(即频率为0.1THz-10THz)区间的电磁波，其频段位于微波和红外光之间，具有很多独特的优势，例如高透性、低能量性、选择吸收性等。太赫兹波对聚乙烯等非金属材料具有可穿透的特性，所以使用太赫兹对其进行检测是一个较好的选择，但目前还未见相关技术应用的报道。

发明内容

本发明需解决的技术问题是提供一种太赫兹准光检测装置，实现对PE等非金属材料内部结构无损检测，并进一步提供非金属管道检测系统和方法，实现对非金属管道的检测。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种太赫兹准光检测装置，采取技术方案如下：

所述太赫兹准光检测装置包括一级辐射源模块、倍频器模块、柱状透镜天线、太赫兹探测器、信号控制处理模块和辐射天线模块；

所述一级辐射源模块为一级辐射源，用于产生太赫兹基波辐射；

所述倍频器模块用于将一级辐射源产生的太赫兹基波辐射频率倍频到太赫兹波段；

所述辐射天线模块为太赫兹组合天线，由太赫兹对角天线和柱状透镜天线组成，将两种天线进行功能组合实现对太赫兹波的光路调制；

所述太赫兹探测器包括线型检测成像阵列芯片、放大调理电路阵列芯片，所述线性检测成像阵列芯片主要用于将接收到的太赫兹光信号转化为电信号，所述放大调理电路阵列芯片对转化的电信号进行放大调理；

所述信号控制处理模块用于对太赫兹探测器检测转化的电信号进行调理、采集、处理后，输出到上位机。

进一步地，所述信号控制处理模块包括信号调理子模块、信号采集子模块、算法子模块，分别对太赫兹探测器检测获得信号进行调理、采集、处理以及对系统各分机的工作时序进行控制。

所述信号调理子模块对太赫兹探测器检测转化到的电信号进行放大滤波处理；

所述信号采集子模块对经过调理子模块处理过的电信号进行采集，并将采集到的信号传输至算法子模块；

所述算法子模块对接收到的采集信号进行处理，包括信号滤波、信号降噪、像元补偿、图像增强、图形拼接以及图形输出。

本发明基于太赫兹准光检测装置，提出了一种非金属管道检测系统，采取技术方案如下：

所述非金属管道检测系统包括太赫兹准光检测装置、上位机、位移控制装置；

所述太赫兹准光检测装置的信号控制处理模块还包括控制子模块，所述控制子模块主要用于协调太赫兹准光检测装置、位移控制装置以及上位机之间的时序配合，还用于对位移控制装置进行位置、角度、速度校准和调整；

所述上位机用于对控制子模块信号控制，对收集到的图像信息进行处理，并进行图形重塑，生成直观可视立体图形；

所述位移控制装置接受控制子模块指令，用于调整太赫兹准光检测装置与待检测非金属管道之间的相对位置关系，使太赫兹波能平行的照射待测非金属管道，并围绕非金属管道旋转一周。

进一步地，所述位移控制装置包括太赫兹准光检测系统承载结构、非金属管道固定结构、旋转扫描位移结构和扫描控制中心模块；

所述太赫兹准光检测装置承载结构主要用于将太赫兹准光检测系统各组件固定在沿太赫兹辐射光路的对应位置；

所述非金属管道固定结构为环状结构，用于将太赫兹准光监测装置承载结构、旋转扫描装置和扫描控制中心模块环绕非金属管道固定于环状结构外侧，环绕中心轴与非金属管道中心轴重合；

所述旋转扫描位移结构包含齿轮传动装置和位置、角度传感器，用于驱动非金属管道固定结构围绕非金属管道旋转，开展非金属管道扫描探测；

所述扫描控制中心接受控制子模块命令信息，并控制旋转扫描位移结构执行；

在检测开始前，通过传感器对太赫兹准光检测装置各组件的位置、角度进行定位，并将初始值上传给扫描控制中心模块；

检测开始后，扫描控制中心模块根据传感器反馈的各组件位移角度物理信息，触发时序，启动齿轮传动装置驱动非金属管道固定结构围绕非金属管道旋转，开始扫描采集工作；

非金属管旋转一周后，位置传感器返回起始点，传感器上传位置信息于扫描控制中心模块，扫描控制中心模块控制齿轮传动装置关闭，结束扫描采集工作。

本发明基于非金属管道检测系统，提出了一种非金属管道检测方法，包括如下步骤：

步骤S1：开启非金属管道检测系统的电源开关，太赫兹辐射源产生初始的太赫兹波，进行无被测物环境下的自校准，形成标准对比数据库；

步骤S2：将待检非金属管道固定到非金属管道检测系统轴心位置；通过传感器对太赫兹准光检测装置与非金属管道的位置进行调整，以及对太赫兹准光检测装置的各组件初始位置、角度定位，并将初始值上传给扫描控制中心模块；

步骤S3：辐射源经调制后产生的平行太赫兹波照射非金属管道；

步骤S4：上位机发送扫描采集指令给控制子模块，扫描控制中心模块接收到控制子模块的采集指令指令后，触发时序，启动齿轮传动装置驱动非金属管道固定结构围绕非金属管道旋转，开始扫描采集工作；

步骤S5：穿透非金属管道后的太赫兹波经柱状透镜天线压缩视场后，被太赫兹探测器接收，将太赫兹波转化为包含非金属管道图像信息的电信号；

步骤S6：电信号输出到信号控制处理模块，进行信号调理、采集和处理模后，上传至上位机，上位机采用3D重塑算法结合位移控制装置角度信息生成被检测物品的太赫兹图像或者太赫兹影像；

步骤S7：非金属管道旋转一周后，位置传感器返回起始点，传感器上传位置信息于扫描控制中心模块，扫描控制中心模块控制齿轮传动装置关闭，结束扫描采集工作。

与现有技术对比，本发明有益效果为：

当前非金属管道无损检测主要采用超声波和人工目测的方式检测，存在着衰减大，效率低和检测速度慢等缺点。本发明太赫兹准光检测装置及非金属管道检测系统采用太赫兹技术可以很容易的穿透PE等非金属管道材料，对其内部结构进行探测，检测装置和系统可分辨毫米大小的缺陷，而且由于其波长远远大于射线，光子能量较低，对人体没有电离辐射。

本发明提供的太赫兹准光检测装置及非金属管道检测系统为工作在太赫兹波段的无损检测装置，采用高分辨率线型检测成像阵列芯片，线列探测器像元间距小于300μm，理论上最大分辨率可达到0.5mm以上，能够精确的对非金属管道进行太赫兹检测。

本发明提供的非金属管道检测系统由于采用了环绕式扫描检测成像工作方式，因此可结合三维重塑算法实现被测物品外部轮廓三维成像，可有效提高被测物品的识别正确率。

附图说明

图1为本发明实施例中的PE管道无损检测装置结构框图；

图2为本发明实施例中的太赫兹无损检测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明实施例公开了一种太赫兹准光检测装置，可实现对PE等非金属材料内部结构进行无损检测。

所述太赫兹准光检测装置包括一级辐射源模块1、倍频器模块2、柱状透镜天线4、太赫兹探测器5、信号控制处理模块6和辐射天线模块9。

所述一级辐射源模块1为一级辐射源，用于产生太赫兹基波辐射，这里所述的辐射模块采用IMPATT二极管辐射模块，但不局限于该类型模块，也可采用微波倍频链路模块。

所述倍频器模块2用于将一级辐射源产生的太赫兹基波辐射频率倍频到太赫兹波段。所述倍频器模块2可采二极管或者三极管倍频芯片

所述辐射天线模块9为太赫兹组合天线，由太赫兹对角天线和柱状透镜天线4组成，将两种天线进行功能组合实现对太赫兹波的光路调制。

具体的，太赫兹波由太赫兹辐射源经波导结构传输至对角天线，对角天线对接收到的太赫兹波进行放大增益后，传输至柱状透镜天线，柱状透镜天线对太赫兹波的传输方向进行调制，输出平行太赫兹波10。所述柱状透镜天线4将透射平行太赫兹波10进行视场压缩调制，并聚焦到太赫兹探测器5。

所采用的的太赫兹对角天线和柱状透镜天线4均为市场在售产品。所述柱状透镜天线4由特氟龙、TPX材料或者高纯硅材料制备而成，焦距为25.4mm。

所述太赫兹探测器5包括线型检测成像阵列芯片、放大调理电路阵列芯片，其技术详见专利：CNET01010297633.5，发明名称为：一种太赫兹探测器。

所述线性检测成像阵列芯片主要用于将接收到的太赫兹光信号转化为电信号，所述放大调理电路阵列芯片对转化的电信号进行放大调理。通过将线型检测成像阵列芯片和放大调理电路芯片集成，实现并行太赫兹波信号对非金属管道的探测和处理，极大的提高了太赫兹检测成像的速度，实现非金属管道的快速线扫描无损检测。

其中，线型检测成像阵列芯片与放大调理电路阵列芯片分布一致，均为1×N结构阵元，这样的结构设计使线型检测成像阵列芯片与放大调理电路阵列芯片易于集成，按照瓦片式SIP集成封装要求，通过半导体技术进行集成封装。

具体的，所述瓦片式SIP集成封装，是指将放大调理阵列的放大调理电路单元与线型检测成像阵列的对应像元之间采用铟柱结构进行倒桩垂直互连，实现异质集成封装。

所述信号控制处理模块6，主要用于对太赫兹探测器5检测转化的电信号进行调理、采集、处理后，输出到上位机。

所述的信号控制处理模块6包括信号调理子模块、信号采集子模块、算法子模块，分别对太赫兹探测器5检测获得信号进行调理、采集、处理以及对系统各分机的工作时序进行控制。

所述信号调理子模块对太赫兹探测器5检测转化到的电信号进行放大滤波处理；

所述信号采集子模块对经过调理子模块处理过的电信号进行高精度采集，并将采集到的信号传输至算法子模块。

所述算法子模块对接收到的采集信号进行处理，主要包括信号滤波、信号降噪、像元补偿、图像增强、图形拼接以及图形输出等功能。

在此需说明的是，采集信号处理技术为本领域技术人员所公知，在此不再赘述。

进一步地，基于上述太赫兹准光检测装置，本发明公开了一种非金属管道检测系统。

下面以PE管道为例，阐述本发明非金属管道检测系统的实施方式。

如图1所示，所述非金属管道检测系统包括太赫兹准光检测装置、上位机7、位移控制装置8。

所述太赫兹准光检测装置的信号控制处理模块6还包括控制子模块，所述控制子模块主要用于协调太赫兹准光检测装置、位移控制装置8以及上位机之间的时序配合。控制子模块还用于对位移控制装置8进行位置、角度、速度校准和调整。

具体的，控制子模块通过控制位移装置8精确调整太赫兹准光检测装置与待检测非金属管道之间的相对位置关系，使太赫兹波能平行的照射待测非金属管道；透射待测非金属管道后的平行波进行视场压缩，最终信号能够被太赫兹探测器5检测，并向上位机输出太赫兹准光检测装置位移和角度信息。

上位机7，主要用于对收集到的图像信息进行进一步处理，并进行图形重塑，生成直观可视立体图形。

具体的，上位机对接收到的信号进行处理，生成二维图像显示，并通过图像算法对图像中的信息进行分析判断，将可能存在的缺陷标注显示。

当需对非金属管道检测时，通过上位机7发送扫描采集指令给控制子模块。

所述位移控制装置8包括太赫兹准光检测装置承载结构、非金属管道固定结构、旋转扫描位移结构和扫描控制中心模块。

所述太赫兹准光检测装置承载结构主要用于将太赫兹准光检测装置各组件固定在沿太赫兹辐射光路的对应位置。

所述非金属管道固定结构为环状结构，主要用于将太赫兹准光检测装置承载结构、旋转扫描装置和扫描控制中心模块环绕非金属管道3固定于环状结构外侧，环绕中心轴与非金属管道3中心轴重合。所述非金属管道3位于对角天线和柱状透镜天线4之间，平行太赫兹波10穿过所述非金属管道3。所述非金属管道3由PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PVC或者有机玻璃等材料制作而成。

所述旋转扫描位移结构包含齿轮传动装置和位置、角度传感器，用于驱动非金属管道固定结构围绕非金属管道旋转，开展非金属管道扫描探测。

具体的，角度和位置传感器安装在齿轮传动装置内部，用于测量太赫兹准光检测系统当前位置和角度信息。

所述扫描控制中心主要作用是接受控制子模块命令信息，并控制旋转扫描位移结构执行。

具体的，扫描控制中心配合旋转扫描位移结构实现初始位置标校、运动速度控制以及采集工作时序触发等功能。

所述位移控制装置8功能实现具体如下：

在检测开始前，通过传感器对太赫兹准光检测装置各组件的位置、角度进行定位，并将初始值上传给扫描控制中心模块。

检测开始后，扫描控制中心模块根据传感器反馈的各组件位移角度等物理信息，触发时序，启动齿轮传动装置驱动非金属管道固定结构围绕非金属管道旋转，开始扫描采集工作。扫描控制中心模块将采集到的太赫兹准光检测装置角度信息上传给控制子模块，由控制子模块再传输给上位机。

非金属管旋转一周后，位置传感器返回起始点，传感器上传位置信息于扫描控制中心模块，扫描控制中心模块控制齿轮传动装置关闭，结束扫描采集工作。

进一步地，以PE管道检测为例，本发明提供了一种PE管道检测方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤S1：开启非金属管道检测系统的电源开关，太赫兹辐射源产生初始的太赫兹波，进行无被测物环境下的自校准，形成标准对比数据库；

步骤S2：将待检PE管道固定到检测装置轴心位置；通过传感器对太赫兹准光检测装置与PE管道的位置进行调整，以及对太赫兹准光检测装置的各组件初始位置、角度定位，并将初始值上传给扫描控制中心模块；

步骤S3：辐射源经调制后产生的平行太赫兹波照射PE管道；

步骤S4：上位机发送扫描采集指令给控制子模块，扫描控制中心模块接收到控制子模块的采集指令指令后，触发时序，启动齿轮传动装置驱动非金属管道固定结构围绕PE管道旋转，开始扫描采集工作。若PE管内部存在缺陷，则会对太赫兹波存在不同程度的反射，从而导致穿透PE管后的太赫兹电磁场强度会发生变化；

步骤S5：穿透非金属PE管道后的太赫兹波经柱状透镜天线4压缩视场后，被太赫兹探测器5接收，将太赫兹波转化为包含PE管道图像信息的电信号；

步骤S6：电信号输出到信号控制处理模块6，进行信号调理、采集和处理模后，上传至上位机7，上位机7采用3D重塑算法结合位移控制装置8角度信息生成被检测物品的太赫兹图像或者太赫兹影像。

步骤S7：PE管道旋转一周后，位置传感器返回起始点，传感器上传位置信息于扫描控制中心模块，扫描控制中心模块控制齿轮传动装置关闭，结束扫描采集工作。